全 文 ：第 49 卷 第 11 期
2 0 1 3 年 11 月
林 业 科 学
SCIENTIA SILVAE SINICAE
Vol. 49，No. 11
Nov．，2 0 1 3
doi:10．11707 / j．1001-7488．20131118
收稿日期: 2012 － 12 － 03; 修回日期: 2013 － 07 － 06。
基金项目: 国家林业局林业公益性行业科研专项“新型木本生物质资源培育及开发利用研究”(201004001)。
* 王利兵为通讯作者。
1) 石元春 ． 2006．中国生物质资源与产业化战略研究 ．中国工程院咨询项目报告 ．
中国栓皮栎资源生产燃料乙醇的潜力及其空间分布*
李迎超1 于海燕1 付 甜2 邹全程3 王利兵1
(1．中国林业科学研究院林业研究所 国家林业局林木培育重点实验室 北京 100091;
2．中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 北京 100091; 3．国家林业局调查规划设计院 北京 100714)
摘 要: 利用气候、土壤、地形和土地利用等数据，运用 ArcGIS 的空间叠加分析功能，定量分析中国栓皮栎资源
的空间分布及乙醇生产潜力。结果表明: 中国适宜栓皮栎分布的区域较广，总面积可达 26 250. 41 × 104 hm2，栓皮
栎乙醇总潜力为 270. 90 × 104 ～ 1 204. 11 × 104 t·a － 1，至少满足我国目前 E10 乙醇汽油需求的 42. 71% ; 适宜栓皮栎
生长的未利用地面积为 1. 53 × 104 hm2，其乙醇生产潜力可增加中国目前 E10 汽油 0. 88%左右。如果选育出优良的
品种，进行科学的栽培管理，在保证粮食安全的前提下，至少可满足我国目前 E10 乙醇汽油需求的 41. 21% 以上。
因此，栓皮栎可以作为我国将来燃料乙醇的重要原料来源。
关键词: 栓皮栎; 燃料乙醇; 资源潜力; 空间分布
中图分类号: S757 文献标识码: A 文章编号: 1001 － 7488(2013)11 － 0129 － 06
Spatial Distribution and Bio-Ethanol Potential of Quercus variabilis in China
Li Yingchao1 Yu Haiyan1 Fu Tian2 Zou Quancheng3 Wang Libing1
(1 ． Key Laboratory of Forest Cultivation of State Forestry Administration Research Institute of Forestry，CAF Beijing100091;
2 ． Institute of Forest Ecology，Environment and Protection，CAF Beijing100091;
3 ． Academy of Forest Inventory and Planning，State Foresty Administration Beijing100714)
Abstract: Quercus variabilis which distributes widely in China has got a high starch content． The plant has been valued
as a non-grain ethanol crop inland，but studies concerning the productive potential of ethanol from Quercus variabilis as
well as its spatial distribution are not adequate． In this research，spatial distribution of Quercus variabilis based on spatial
analysis techniques has been analyzed and the resource potential of Quercus variabilis ethanol has been quantified． Data on
climate，soil，topography，land use and that from relevant literature about Quercus variabilis has utilized by ArcGIS． The
results indicated that the proper distribution area of Quercus variabilis is wide ( 26 250. 41 × 104 hm2 )，and the total
potential ethanol productivity is 270. 90 × 104 t·a － 1 － 1 204. 11 × 104 t·a － 1，which catered to 42. 71% of the total ethanol
demand in China． Thereinto not much unused land(1. 53 × 104 hm2 ) could be exploited which could lead to 0. 88% of the
total ethanol demand for E10 gasoline in China． The productive potential of ethanol could be increased by through
selection of high yielding variety and boost of plant management to meet 41. 21% of E10 demand all around China．
Therefore，Quercus variabilis should be deemed as a critical raw material of fuel ethanol in the future．
Key words: Quercus variabilis;bioethaonl; resource potential; spatial distribution
全球石油危机、气候变暖、人口增长与粮食安全
等问题，使得发展生物质能源的大潮已经席卷全球
(Farrell et al．，2006; Balat et al．，2009; Tian et al．，
2009)。其中，生物燃料乙醇由于其原料供应充分、
生产工艺成熟、产品应用广泛，已成为各国竞相发展
的重点产业之一1)。对于中国这样的发展中国家，
在经济高速发展的同时，由于人口众多、耕地资源紧
缺，致使能源消耗过快、环境污染压力增加和粮食安
全问题突出，所以以玉米(Zea mays)、小麦(Triticum
aestivum)等粮食作物作为原料来生产生物乙醇的可
行性很小。但是，我国“边际性”土地资源相对丰
富，如将发展非粮生物乙醇作为重点，可实现生物乙
醇生产原料多元化，还能够避免出现能源作物与粮
棉作 物 争 地、能 源生产 与 人争 粮的 负 面 影 响
林 业 科 学 49 卷
(Fairless，2007; 曾麟等，2006; 严陆光，2008)，并
且利用“非粮”原料发展生物燃料乙醇也是我国可
再生能源的中长期发展规划(张彩霞等，2010)。
栎属(Quercus)是发展生物乙醇重要的“非粮”
原料(谢碧霞等，2008; 齐学军等，2011; 李安平
等，2011; 罗伟祥等，2009)，无论从世界范围还是
从我国来看，栎属在森林植被建设的优势树种选择
和造林上广泛采用的主要树种中都占有重要的地
位。据统计，我国橡实林面积达 1. 33 × 107 ～ 1. 6 ×
107 hm2，年产橡实估计在 60 亿 ～ 70 亿 kg，其中栎类
最多(谢碧霞等，2008)。栓皮栎(Quercus variabilis)
在栎属中的地位特别突出(罗伟祥等，2009)，根据
作者对全国栓皮栎资源的调查以及各地林业资源管
理部门或单位的配合，并查询近 10 年来关于栓皮栎
在当地的资源分布数据，栓皮栎林的面积按橡实林
面积的 1 /10 来算，为 133 × 104 ～ 160 × 104 hm2，按
栓皮栎生产乙醇的平均产量为 22 900 t·a － 1来算，可
满足我国目前 E10 乙醇汽油需求的 0. 63%。橡实
种仁中淀粉质量分数达 51% ～ 59% (每 50 kg 约合
41 kg 玉米)，是丰富的燃料乙醇原料，还是生产木
材、软木、栲胶、薪炭、食用菌等的主要原料，在发展
地方经济、保护生态平衡等方面有着巨大的作用
(Guzmn-Guzmn et al．，2006; 漆民楷等，1992; 高
根虎等，2002)。因此，应该说栓皮栎是极具发展潜
力的能源树种(罗伟祥等，2009)。
国内对栓皮栎的研究多集中在生物学特性(周
建云等，2003; 武康生，1990; 谢会成等，2004)、地
理分布 (吴征镒，1980; 郑万钧，1985; 雷明德，
1999; 张仰渠，1989; 傅焕光等，1978)、资源培育(张
存旭等，2003; 2004; 2005; 郑均宝等，1990; 张理
宏，1992)、群落特征(朱志诚，1979)、种群动态(吴
明作等，1999a; 1999b; 2000; 刘彩云，2008)、群落物
种多样性(程瑞梅等，1998)、生态位 (吴明作等，
1999c)、橡实淀粉燃料酒精生产工艺 (李安平等，
2011)等方面，针对栓皮栎资源的空间分布及其作为
燃料乙醇的生产潜力缺乏系统的研究与评价。本研
究通过分析栓皮栎的生长环境(气温、降水、土壤质地
和养分等)和自然条件，以遥感解译数据为基础，划分
出栓皮栎在我国适宜分布的区域，然后通过经验公式
推算出我国栓皮栎可转化为燃料乙醇的潜力，所得结
果可为我国栓皮栎燃料乙醇产业的规划与发展以及
相关政策的制定提供重要参考。
1 试验材料与数据预处理
本研究所用地理空间数据均从共享平台收集而
来，包括中国科学院资源环境科学数据中心(http: ∥
www． resdc． cn / first． asp)提供的中国 1∶ 100 万土壤
数据、中国 90 m DEM 数据和中国 2000 年 1 km × 1
km 分辨率的土地利用栅格数据，其中，土壤数据包
括土壤类型、pH 值、全 N、全 P、全 K、有机质和土壤
质地; 中国生态系统研究网络数据共享系统( http:
∥www． cerndata． ac． cn /)提供的 1971—2000 年中
国 1 km × 1 km 栅格气候数据(30 年平均)。
应用空间信息处理软件 ArcGIS 9. 2 对所得数
据进行预处理，完成土壤属性数据的空间化，从
DEM 数据提取土壤坡度数据。首先将所得的土壤、
地形、气候、土地利用数据进行投影转换，统一坐标
系统; 并通过图像重采样，将图像分辨率统一为
1 km × 1 km，便于叠加分析。
2 研究方法
2. 1 中国栓皮栎空间适宜分布
根据收集到的文献资料 (罗伟祥等，2009; 傅
焕光等，1978; 张文辉等，2002)，分析确定栓皮栎
适宜生长的最低自然环境条件为: ≥10 ℃有效积
温范围为 2 000 ～ 8 200 ℃，极寒温度 ＞ － 25 ℃，年
降水量为 500 ～ 2 000 mm，土壤 pH 值为 4 ～ 8，
海拔≤3 000 m，坡度 ＜ 25°(根据中国环境保护政策
确定可种植的坡度范围)。依据栓皮栎生长的最低
环境条件和适宜环境条件，利用温度、土壤养分综合
情况、坡度和土地利用等数据，将栓皮栎适宜生长条
件和生长条件下限分别依据各指标应用空间数据处
理软件 ArcGIS 9. 2 进行空间叠加分析，得到栓皮栎
的适宜分布区和最大可能分布区。然后进一步将最
大可能生长范围与土地利用类型图叠加剔除掉建设
用地和水域 (设定符合生长条件的未利用地有沙
地、戈壁、盐碱地、沼泽地、裸土地、裸岩地和其他未
利用地)，从而生成未利用地适宜种植区。
2. 2 栓皮栎分布适宜性评价
林地适宜性评价是土地资源优化配置的重要内
容，对制定土地利用规划、进行林业结构调整、保护
区域生态环境、实现区域资源环境可持续发展具有
重要意义(李晋明等，2012)。目前我国栓皮栎大部
分生长或栽植在山区、丘陵、岭脊等地，缺乏灌溉条
件，因此天然降水是栓皮栎水分供应的主要来源，依
据文献(罗伟祥等，2009; 傅焕光等，1978)对栓皮
栎生长需水量的研究，将栓皮栎对降水条件的适应
性划分为 4 个等级(表 1)。本研究依照坡度对土壤
侵蚀以及植被生长影响程度在坡度 25°以下的区域
内划分出 4 个级别(表 1)。由于土壤肥力过低，一
031
第 11 期 李迎超等: 中国栓皮栎资源生产燃料乙醇的潜力及其空间分布
方面会增加化学能(即化肥)的投入，另一方面会造
成产量过低，出于对能源投入产出效率的考虑，参考
《全国 1∶ 400 万土壤肥力质量分布图集》中土壤综
合养分评价的方法，按土壤肥力与营养综合评价
(SOM、全 N、全 P、全 K)得分划分为 4 个适宜级别
(表 1)。土壤肥力级别的划分方法详见张彩霞等
(2010)。然后，将土壤坡度、日均温 10 ℃以上期间
的降水量、土壤养分做如下运算:
SCORE = G × P × N s。
式中: G 代表坡度等级; P 代表日均温在10 ℃以上
时段的降水量等级; N s代表土壤综合养分质量等
级。SCORE = 0 为不适宜区，0 ＜ SCORE ＜ 6 为适宜
性较差区，6≤SCORE≤12 为较适宜区，SCORE ＞ 12
为最适宜区(表 1)。
表 1 中国栓皮栎空间分布的适宜性评价
Tab． 1 Suitability assessment on the spatial distribution of Quercus variabilis in China
等级
Rank
适宜程度
Suitability
坡度
Gradient /
( °)
日均温 10 ℃以上时段降水量
Precipitation in the period of the
daily temperature above 10 ℃ /mm
土壤养分
Soil nutrient
综合适宜等级
Comprehensive
evaluation grade
0 不适宜 Not suitable ≥25 空白 Blank 空白 Blank 0
1 适宜性较差 Poor suitable 15 ～ 25 1 600 ～ 2 000 0 ～ 2. 5 0 ～ 6
2 较适宜 Suitable 8 ～ 15 500 ～ 750，1 200 ～ 1 600 2. 5 ～ 3. 5 6 ～ 12
3 最适宜 The most suitable 0 ～ 8 750 ～ 1200 ≥3. 5 ＞ 12
2. 3 中国栓皮栎乙醇生产潜力
作者实地调查了栓皮栎橡实在中国各地的产量
情况，综合其他学者的研究(罗伟祥等，2009; 傅焕
光等，1978)，推算出栓皮栎橡子的产量为 67. 5 ～
300 kg·hm － 2，平均产量为93. 8 kg·hm － 2，按 1 t 无水
乙醇需橡子 6. 54 t 计算(其中，无水乙醇产量 = 橡
子产量 /1 t 无水乙醇需栓皮栎橡子的量)。以栓皮
栎乙醇产量的最低值 (10. 32 kg·hm － 2 )、最高值
(45. 87 kg·hm － 2 )和均值 ( 14. 34 kg·hm － 2 )分别
估算中国栓皮栎乙醇在适宜分布区和未利用地
适宜区 的 低 产、高产和 平 均 产 量 水 平 的 生 产
潜力。
3 结果与分析
3. 1 中国栓皮栎的空间适宜分布及评价
从图 1 可以看出，我国大部分省份均适宜栓
皮栎生长，其总适宜面积可达 26 250. 41 × 10 4
hm2。通过坡度、土壤综合肥力和年日均温大于
10 ℃期间的降水量 3 个条件的叠加分析可得，最
适宜栓皮栎种植的面积占 26. 7% ，主要分布在辽
宁省的东北部、山东省东南部、安徽省中部、云南
省中北部、河南省、江苏省、陕西省南部、贵州省
中北部、湖北省中部、四川省东部、吉林省南部、
黑龙江省东部等，该区最适宜开发或栽培栓皮栎
生态能源林，开发或栽植栓皮栎的能耗较低，可
能引起的土壤侵蚀也较小。秦岭山地和大别山
相连形成一个分布中心，从栓皮栎分布的密集程
度和古木大树的数量之大来看，秦岭和伏牛山应
是栓皮栎的核心分布区。较适宜区的面积约为
69. 8% ，主要分布在吉林省中东部、辽宁省中西
部、河北省、北京市、天津市、山东省、山西省、浙
江省、安徽省南部、湖北省东部和西部、重庆市、
陕西省、甘肃省南部、四川省东部、贵州省、云南
省、广西省、广东省、湖南省、江西省、福建省等
地，这些省份植被生存条件一般，西北部地区植
被生长一般需要灌溉，南部地区多需要排水条件
良好，且大部分地区还需适当施肥。西藏自治区
南部、贵州省、广西省、四川省、江西省、广东省等
部分地区栽培栓皮栎的适宜性较差，其面积约有
3. 5% ，该区域多环境条件极端，部分区域有干旱
和过涝的现象、土壤瘠薄、坡度大于 25 °的区域较
多，如果在该区域种植栓皮栎，则将消耗较多能
量，使得投入产出不呈正比，甚至可能引起进一
步的土壤侵蚀。
3. 2 中国未利用地栓皮栎的空间适宜分布及评价
虽然栓皮栎适宜面积很广，但是我国没那么多
土地可利用，只有一些“未利用土地”，因此，我们对
图 1 和我国的未利用土地进行了叠加，得到图 2。
从图 2 可以看出，栓皮栎在中国未利用地可分布的
区域较小，主要位于黑龙江省和吉林省的交界区、辽
宁省部分地区、河北省中北部和北京的交界区，其他
省份，如山西省、陕西省、河南省、湖南省、湖北省、江
西省、甘肃省南部以及云南省、四川省也均有分布，
其总面积达 387. 05 × 104 hm2，在 1 km2 的全国空间
分布图上较难辨别。其中，最适宜种植栓皮栎的面
积为 32. 1%，主要分布在黑龙江省和吉林省交界、
湖北省、陕西省和河南省交界处，而占绝大部分的是
较适宜的未利用地，占总面积的 65. 2%，主要分布
在河北省中北部和北京市交界、陕西省、河南省、湖
北省、江西省、云南省以及四川省等。
131
林 业 科 学 49 卷
图 1 中国栓皮栎空间适宜分布区
Fig． 1 Spatial suitable distribution of Quercus variabilis in China
3. 3 中国栓皮栎乙醇的生产潜力
3. 3. 1 适宜分布区栓皮栎乙醇的生产潜力 由表
2 所知，中国栓皮栎适宜分布区的乙醇总潜力为
270. 90 × 104 ～ 1 204. 11 × 104 t·a － 1，可最低满足我
国目前 E10 乙醇汽油需求的 42. 71% (按 2008 年中
国汽油总消耗量为 6 342. 70 × 104 t，并假定等质量
的乙醇汽油与纯汽油的能效相同计算)。然而这种
栓皮栎乙醇的生产潜力并不易真正实现，因其不能
将森林、草地和耕地资源的保护和限制开发考虑进
去，包括所有适宜种植区的栓皮栎乙醇的生产潜力
(除建设用地和水域以外)。
3. 3. 2 未利用地适宜区栓皮栎乙醇的生产潜力
由表 3 可知，中国未利用地可生产栓皮栎无水乙醇
的总 潜 力 最 低 为 40 067. 40 t· a － 1，最 高 为
178 090. 30 t·a － 1，平均为 55 675. 05 t·a － 1 (按 2008
年中国汽油总消耗量为 6 342. 70 × 104 t，并假定等
质量的乙醇汽油与纯汽油的能效相同计算)。在栓
皮栎橡子生产无水乙醇的平均产量水平下，适宜种
植的未利用地可满足当前中国 0. 88% 的 E10 乙醇
汽油需求。
图 2 中国未利用地栓皮栎的空间适宜分布
Fig． 2 Spatial suitable distribution of Quercus variabilis of unused land in China
表 2 中国栓皮栎适宜分布区乙醇的生产潜力
Tab． 2 Potential of Quercus variabilis ethanol of spatial suitable distribution in China
适宜性
Suitability of
Q． variabilis
面积
Area / 104 hm2
无水乙醇最低产量
Minimum yield of absolute
ethyl alcohol /(104 t·a － 1 )
无水乙醇最高产量
Maximum yield of absolute
ethyl alcohol /(104 t·a － 1 )
无水乙醇平均产量
Mean yield of absolute ethyl
alcohol /(104 t·a － 1 )
适宜性较差 Poor suitable 923. 80 9. 53 42. 37 13. 25
较适宜 Suitable 18 314. 66 189. 01 840. 09 262. 63
最适宜 The most suitable 7 011. 95 72. 36 321. 64 100. 55
适宜 More suitable 26 250. 41 270. 90 1 204. 11 376. 43
231
第 11 期 李迎超等: 中国栓皮栎资源生产燃料乙醇的潜力及其空间分布
表 3 中国未利用地适宜区栓皮栎乙醇潜力
Tab． 3 Potential of Quercus variabilis ethanol of unused land in China
适宜性
Suitability of
Q． variabilis
面积
Area / 104 hm2
无水乙醇最低产量
Minimum yield of absolute
ethyl alcohol /(104 t·a － 1 )
无水乙醇最高产量
Maximum yield of absolute
ethyl alcohol /(104 t·a － 1 )
无水乙醇平均产量
Mean yield of absolute ethyl
alcohol /(104 t·a － 1 )
适宜性较差 Poor suitable 10. 66 1 100. 11 4 889. 74 1 528. 64
较适宜 Suitable 253. 50 26 161. 20 116 280. 50 36 351. 90
最适宜 The most suitable 124. 09 12 806. 09 56 920. 08 17 794. 51
适宜 More suitable 387. 05 40 067. 40 178 090. 30 55 675. 05
4 结论与讨论
1) 我国大部分省份均为栓皮栎的适宜生长地，
总适宜面积可达 26 250. 41 × 104 hm2，最适宜栓皮
栎生长的面积占 26. 7%。通过参考前人的研究资
料(吴征镒，1980; 郑万钧，1985; 雷明德，1999;
张仰渠，1989; 傅焕光等，1978)并结合作者的实地
调查，本研究得出栓皮栎空间适宜分布与实际情况
大致相符，说明本研究结果比较切合实际。栓皮栎
分布比较集中的地区为秦岭山地和大别山相连形成
的一个分布中心，与张文辉等 (2002)的观点一致。
最北的界限为辽宁省南部旅大区和锦州地区，本研
究中栓皮栎最北端的界限到了黑龙江省和吉林省东
部，而且为最适宜区比较集中的地区，说明本地区可
能适宜栓皮栎的引种，有待进一步引种实践的研究。
2) 在不考虑社会经济等限制因素的条件下，中
国栓皮栎适宜分布区的乙醇总潜力为270. 90 × 104 ～
1 204. 11 × 104 t·a － 1，最低可满足我国目前 E10 乙
醇汽油 42. 71% 的需求，得到的栓皮栎乙醇的生产
潜力是在不考虑社会经济等限制因素下从栓皮栎可
生长的最低自然条件来探讨的，并没有考虑栓皮栎
乙醇的实际生产经济效益和能量平衡效益(张彩霞
等，2010)。如考虑这些，则只能在最适宜和较适宜
地区发展栓皮栎乙醇才能具有正的能源和经济效
益，因为在这些地区需要投入的化学能(化肥)和灌
溉量较低，且基本不会导致土壤侵蚀等环境问题。
因此在保证粮食安全的前提下，栓皮栎最适宜和较
适宜地区总潜力为 261. 37 × 104 t·a － 1。
适宜种植区未利用地的面积仅占适宜总面积的
1. 47%，中国未利用地可生产栓皮栎无水乙醇的总
潜力平均为 55 675. 05 t，可增加目前中国 E10 乙醇
汽油 0. 88%左右，估计栓皮栎林实际面积为 133 ×
104 ～ 160 × 104 hm2，按栓皮栎生产乙醇的平均产量
为 22 900 t·a － 1计算，可满足我国目前 E10 乙醇汽油
需求的 0. 63%，共解决 E10 乙醇汽油需求的 1. 51%
左右。
在计算栓皮栎乙醇潜力时，没有考虑各地区树
龄的不同，而是综合栓皮栎在中国各地的产量统计
和众多学者的研究(罗伟祥等，2009; 傅焕光等，
1978)，推算出橡子的平均产量。目前栓皮栎在中
国都是野生状态，主要利用其栓皮与木材，对其果实
的需求不大，并且对其优良单株与优良类型的选择
重视不够，造成大小年和虫害异常严重，结实量非常
少; 但实际上，在某些已达到盛果期的地区，栓皮栎
的产量远远高于推算的最高值，比如“十一五”期间
在湖南营造橡树能源林 10 万 hm2，其橡实产量就达
到了 3 000 kg·hm － 2(罗伟祥等，2009)。总体而言，
如果选育出优良的品种，进行科学的栽培管理，在保
证粮食安全的前提下，至少可满足我国目前 E10 乙
醇汽油 41. 21% 以上的乙醇需求。因此，栓皮栎可
以作为我国将来燃料乙醇的重要原料来源，相关部
门应加大对栓皮栎乙醇的技术研究和产业发展
支持。
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(责任编辑 石红青)
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